第2章金属熔体-10级

金属学与热处理第一章习题1.作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向3.某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数a=b≠c，c=2/3a。

今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距，2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面参数。

解：设X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a，取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2,5,5故该晶面的晶面指数为（2 5 5）4.体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的晶面间距，并指出面间距最大的晶面解：（1 0 0）面间距为a/2，（1 1 0）面间距为√2a/2，（1 1 1）面间距为√3a/3三个晶面晶面中面间距最大的晶面为（1 1 0）7.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，成正四面体，如图所示则OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a因△ABC是等边三角形，所以有OC=2/3CE由于(BC)2=(CE)2+(BE)2则有(CD)2=(OC)2+(1/2c)2，即因此c/a=√8/3=1.6338.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=0.414R解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=0.146a面心立方原子半径R=√2a/4，则a=4R/√2，代入上式有R=0.146X4R/√2=0.414R9.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。

b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转化为α-Fe时，求其体积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。

金属学与热处理第一章习题1.作图表示出立方晶系1 2 3、0 -1 -2、4 2 1等晶面和-1 0 2、-2 1 1、3 4 6 等晶向3.某晶体的原子位于正方晶格的节点上,其晶格常数a=b≠c,c=2/3a;今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别是5个原子间距,2个原子间距和3个原子间距,求该晶面的晶面参数;解：设X方向的截距为5a,Y方向的截距为2a,则Z方向截距为3c=3X2a/3=2a,取截距的倒数,分别为1/5a,1/2a,1/2a化为最小简单整数分别为2,5,5故该晶面的晶面指数为2 5 54.体心立方晶格的晶格常数为a,试求出1 0 0、1 1 0、1 1 1晶面的晶面间距,并指出面间距最大的晶面解：1 0 0面间距为a/2,1 1 0面间距为√2a/2,1 1 1面间距为√3a/3 三个晶面晶面中面间距最大的晶面为1 1 07.证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=证明：理想密排六方晶格配位数为12,即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切,成正四面体,如图所示则OD=c/2,AB=BC=CA=CD=a因△ABC是等边三角形,所以有OC=2/3CE由于BC2=CE2+BE2则有CD2=OC2+1/2c2,即因此c/a=√8/3=8.试证明面心立方晶格的八面体间隙半径为r=解：面心立方八面体间隙半径r=a/2-√2a/4=面心立方原子半径R=√2a/4,则a=4R/√2,代入上式有R=√2=设有一刚球模型,球的直径不变,当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时,试计算其体积膨胀;b经X射线测定,在912℃时γ-Fe的晶格常数为,α-Fe 的晶格常数为,当由γ-Fe转化为α-Fe时,求其体积膨胀,并与a比较,说明其差别的原因;解：a令面心立方晶格与体心立方晶格的体积及晶格常数分别为V面、V 踢与a面、a体,钢球的半径为r,由晶体结构可知,对于面心晶胞有4r=√2a面,a面=2√2/2r,V面=a面3=2√2r3对于体心晶胞有4r=√3a体,a体=4√3/3r,V体=a体3=4√3/3r3则由面心立方晶胞转变为体心立方晶胞的体积膨胀△V为△V=2×V体-V面=B按照晶格常数计算实际转变体积膨胀△V实,有△V实=2△V体-V面=2x3-3=实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因在于由γ-Fe转化为α-Fe时,Fe 原子的半径发生了变化,原子半径减小了;10.已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为和,求1cm3中铁和铜的原子数; 解：室温下Fe为体心立方晶体结构,一个晶胞中含2个Fe原子,Cu为面心立方晶体结构, 一个晶胞中含有4个Cu原子1cm3=1021nm3令1cm3中含Fe的原子数为N Fe,含Cu的原子数为N Cu,室温下一个Fe 的晶胞题解为V Fe,一个Cu晶胞的体积为V Cu,则N Fe=1021/V Fe=1021/3=N Cu=1021/V Cu=1021/3=11.一个位错环能不能各个部分都是螺型位错或者刃型位错,试说明之;解：不能,看混合型位错13.试计算{110}晶面的原子密度和111晶向原子密度;解：以体心立方{110}晶面为例{110}晶面的面积S=a x √2a{110}晶面上计算面积S内的原子数N=2则{110}晶面的原子密度为ρ=N/S= √2a-2111晶向的原子密度ρ=2/√3a15.有一正方形位错线,其柏式矢量如图所示,试指出图中各段线的性能,并指出任性位错额外串排原子面所在的位置;D CbA BAD、BC段为刃型位错；DC、AB段为螺型位错AD段额外半原子面垂直直面向里BC段额外半原子面垂直直面向外第二章习题1.证明均匀形核时,形成临界晶粒的ΔGk 与其体积V 之间的关系为ΔG k = V/2△G v证明：由均匀形核体系自由能的变化1可知,形成半径为r k的球状临界晶粒,自由度变化为2对2进行微分处理,有3将3带入1,有4由于,即3V=r k S 5将5带入4中,则有2.如果临界晶核是边长为a 的正方形,试求其△Gk 和a 的关系;为什么形成立方晶核的△G k比球形晶核要大3.为什么金属结晶时一定要有过冷度,影响过冷度的因素是什么,固态金属融化时是否会出现过热,为什么答：由热力学可知,在某种条件下,结晶能否发生,取决于固相的自由度是否低于液相的自由度,即G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm 时,固态金属的自由能才低于液态金属的自由能,液态金属才能自发地转变为固态金属,因此金属结晶时一定要有过冷度; 影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：1金属的本性,金属不同,过冷度大小不同；2金属的纯度,金属的纯度越高, 过冷度越大；3冷却速度,冷却速度越大,过冷度越大; 固态金属熔化时会出现过热度;原因：由热力学可知,在某种条件下,熔化能否发生,取决于液相自固态金属熔化时会出现过热度;原因：由度是否低于固相的自由度,即G = GL-GS<0；只有当温度高于理论结晶温度Tm 时,液态金属的自由能才低于固态金属的自由能,固态金属才能自发转变为液态金属,因此金属熔化时一定要有过热度;4.试比较均匀形核和非均匀形核的异同点;相同点：均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径,非均匀形核的临界形核功也等于三分之一.不同点：非均匀形核要克服的位垒比均匀形核的小得多,在相变的形核过程通常都是非均匀形核优先进行;核心总是倾向于以使其总的表面能和应变能最小的方式形成,因而析出物的形状是总应变能和总表面能综合影响的结果;5.说明晶体成长形状与温度梯度的关系1、在正的温度梯度下生长的界面形态：光滑界面结晶的晶体,若无其它因素干扰,大多可以成长为以密排晶面为表面的晶体,具有规则的几何外形;粗糙界面结构的晶体,在正的温度梯度下成长时,其界面为平行于熔点等温面的平直界面,与散热方向垂直,从而使之具有平面状的长大形态,可将这种长大方式叫做平面长大方式;2、在负的温度梯度下生长的界面形态粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长成树枝晶体;主干叫一次晶轴或一次晶枝;其它的叫二次晶或三次晶;对于光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时,如果杰克逊因子α不太大时可能生长为树枝晶,如果杰克逊因子α很大时,即使在负的温度梯度下,仍有可能形成规则形状的晶体;6.简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点形成原因：1表层细晶区：低温模壁强烈地吸热和散热,使靠近模壁的薄层液体产生极大地过冷, 形成原因形成原模壁又可作为非均匀形核的基底,在此一薄层液体中立即产生大量的晶核,并同时向各个方向生长; 晶核数目多,晶核很快彼此相遇,不能继续生长,在靠近模壁处形成薄层很细的等轴晶粒区;2 柱状晶区：模壁温度升高导致温度梯度变得平缓；过冷度小,不能生成新晶核,但利于细晶区靠近液相的某些小晶粒长大；远离界面的液态金属过热,不能形核；垂直于模壁方向散热最快,晶体择优生长;3中心等轴晶区：柱状晶长到一定程度后,铸锭中部开始形核长大---中部液体温度大致是均匀的,每个晶粒的成长在各方向上接近一致,形成等轴晶;性能特点：1表层细晶区：组织致密,力学性能好；2柱状晶区：组织较致密,存在弱面,力学性能有方向性；3中心等轴晶区：各晶粒枝杈搭接牢固,无弱面,力学性能无方向性;7.为了得到发达的柱状晶区应采用什么措施,为了得到发达的等轴晶区应采取什么措施其基本原理如何答：为了得到发达的柱状晶区应采取的措施：1控制铸型的冷却能力,采用导热性好与热容量大的铸型为了得到发达的柱状晶区应采取的措施：材料,增大铸型的厚度,降低铸型的温度;2提高浇注温度或浇注速度;3提高熔化温度; 基本原理：基本原理：1铸型冷却能力越大,越有利于柱状晶的生长;2提高浇注温度或浇注速度,使温度梯度增大,有利于柱状晶的生长;3熔化温度越高,液态金属的过热度越大,非金属夹杂物溶解得越多, 非均匀形核数目越少,减少了柱状晶前沿液体中的形核的可能,有利于柱状晶的生长;为了得到发达的等轴晶区应采取的措施：为了得到发达的等轴晶区应采取的措施：1控制铸型的冷却能力,采用导热性差与热容量小的铸型材等轴晶区应采取的措施料,增大铸型的厚度,提高铸型的温度;2降低浇注温度或浇注速度;3降低熔化温度;基本原理：基本原理：1铸型冷却能力越小,越有利于中心等轴晶的生长;2降低浇注温度或浇注速度,使温度梯度减小,有利于等轴晶的生长;3熔化温度越低,液态金属的过热度越小,非金属夹杂物溶解得越少,非均匀形核数目越多,增加了柱状晶前沿液体中的形核的可能,有利于等轴晶的生长;第三章习题1.在正温度梯度下,为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长,而固溶体合金却能呈树枝状成长纯金属凝固时,要获得树枝状晶体,必需在负的温度梯度下；在正的温度梯度下,只能以平面状长大;而固溶体实际凝固时,往往会产生成分过冷,当成分过冷区足够大时,固溶体就会以树枝状长大;2.何谓合金平衡相图,相图能给出任一条件下的合金显微组织吗合金平衡相图是研究合金的工具,是研究合金中成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据;其中二元合金相图表示二元合金相图表示在平衡状态下,合金的组成相或组织状态与温度、成分、压力之间关系的简明图解;平衡状态：合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态; 合金的极缓慢冷却可近似认为是平衡状态;三元合金相图是指独立组分数为3的体系,该体系最多可能有四个自由度,即温度、压力和两个浓度项,用三维空间的立体模型已不足以表示这种相图;若维持压力不变,则自由度最多等于3,其相图可用立体模型表示;若压力、温度同时固定,则自由度最多为2,可用平面图来表示;通常在平面图上用等边三角形有时也有用直角坐标表示的来表示各组分的浓度;不能,相图只能给出合金在平衡条件下存在的合金显微组织4.何谓成分过冷成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响在固溶体合金凝固时,在正的温度梯度下,由于固液界面前沿液相中的成分有所差别,导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度,从而产生的过冷称为成分过冷;这种过冷完全是由于界面前沿液相中的成分差别所引起的;温度梯度增大,成分过冷减小; 成分过冷必须具备两个条件：第一是固~液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固~液界面前方液相的实际温度分布,或温度分布梯度必须达到一定的值;对合金而言,其凝固过程同时伴随着溶质再分配,液体的成分始终处于变化当中,液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的固液平衡温度,这种关系有合金的平衡相图所规定;利用“成分过冷”判断合金微观的生长过程;第四章习题1.分析分析ωc=%,wc=%,wc=%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程;ωc=%: L---L+δ---δ→γ1495度---γ+L---γ----α+γ----γ→α727度---α+Fe3C; γ=A,α=F;下同ωc=%: L---γ+L---γ----α+γ----γ→α727度---α+Fe3C;ωc=%: L---γ+L---γ----Fe3C+γ----γ→α727度---α+Fe3C;室温下相组成物的相对含量:ωc=%,渗碳体相对含量= %,余量铁素体ωc=%,渗碳体相对含量= %,余量铁素体ωc=% 渗碳体相对含量= %,余量铁素体室温下组织组成物的相对含量:ωc=%,珠光体相对含量=余量铁素体ωc=%,珠光体相对含量= %,余量铁素体ωc=%,渗碳体相对含量= %,余量珠光体2.分析ωc=%、ωc=%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程,画出冷却曲线和组织转变示意图,并计算室温下的组织组成物和相组成物;解：下图表示ωc=%%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程：下图表示ωc=%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程：3.计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量;答：铁碳合金中二次渗碳体即Fe3CⅡ的最大可能含量产生在%C的铁碳合金中,因此Fe3CⅡmax=/x100%=%三次渗碳体即Fe3CⅢ的可能最大含量在%C的铁碳合金中,因此Fe3CⅢmax/x100%=%4.分别计算莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体的含量;解：在莱氏体中,Fe3C共晶%=/100%=%Fe3CⅡ%=//100%=%Fe3C共析%=/%/100%=%5.为了区分两种弄混的钢,工人分别将A、B两块碳素钢试样加热至850 ℃保温后缓冷, 金相组织分别为：A试样的先共析铁素体面积为%,珠光体面积为%；B试样的二次渗碳体面积为%,珠光体面积为%；设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体的含碳量为零, 求A、B两种碳素钢的含碳量;解：这两个试样处理后都是得到的平衡态组织,首先判断A试样为亚共析钢,根据相图杠杆原理列出方程如下：/这样得到X=%,大概是45钢的成分范围;同理B试样为过共析钢/；X=%,大概是T12钢的范围,当然相应地还可以利用杠杆的另外一端来求了;6.利用Fe-FeC3相图说明铁碳合金的成分、组织和性能的关系;从相组成物的情况来看,铁碳合金在室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体组成,当碳质量分数为零时,合金全部由铁素体所组成,随着碳质量分数的增加,铁素体的量呈直线下降,到w c为%时降为零,相反渗碳体则由零增至100%;碳质量分数的变化不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化,而且两相相互组合的形态即合金的组织也将发生变化,这是由于成分的变化引起不同性质的结晶过程,从而使相发生变化的结果,由图3-35可见,随碳质量分数的增加,铁碳合金的组织变化顺序为：F→F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ+Le→Le→Le+ Fe3CⅠw c<%时的合金组织全部为铁素体,w c=%时全部为珠光体,w c=%时全部为莱氏体,w c=%时全部为渗碳体,在上述碳质量分数之间则为组织组成物的混合物；而且,同一种组成相,由于生成条件不同,虽然相的本质未变,但其形态会有很大的差异;如渗碳体,当w c<% 时,三次渗碳体从铁素体中析出,沿晶界呈小片状分布；经共析反应生成的共析渗碳体与铁素体呈交替层片状分布；从奥氏体中析出的二次渗体则以网状分布于奥氏体的晶界；共晶渗碳体与奥氏体相关形成,在莱氏体中为连续的基体,比较粗大,有时呈鱼骨状；从液相中直接析出的一次渗碳体呈规则的长条状;可见,成分的变化,不仅引起相的相对量的变化,而且引起组织的变化,从而对铁碳合金的性能产生很大的影响;1切削加工性能钢中碳质量分数对切削加工性能有一定的影响;低碳钢的平衡结晶组织中铁素体较多,塑性、韧性很好,切削加工时产生的切削热较大,容易黏刀,而且切屑不易折断,影响表面粗糙度,因此,切削加工性能不好；高碳钢中渗碳体较多,硬度较高,严重磨损刀具,切削性能也不好；中碳钢中铁素体与渗碳体的比例适当,硬度与塑性也比较适中,切削加工性能较好;一般说来,钢的硬度在170～250HBW时切削加工性能较好;2压力加工性能金属压力加工性能的好坏主要与金属的锻造性有关;金属的锻造性是指金属在压力加工时能改变形状而不产生裂纹的性能;钢的锻造性主要与碳质量分数及组织有关,低碳钢的锻造性较好,随着碳质量分数的增加,锻造性逐渐变差;由于奥氏体具有良好的塑性,易于塑性变形,钢加热到高温获得单相奥氏体组织时可具有良好的锻造性;白口铸铁无论在低温或高温,其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体,锻造性很差,不允许进行压力加工;3铸造性能随着碳质量分数的增加,钢的结晶温度间隔增大,先结晶形成的树枝晶阻碍未结晶液体的流动,流动性变差;铸铁的流动性要好于钢,随碳质量分数的增加,亚共晶白口铁的结晶温度间隔缩小,流动性随之提高；过共晶白口铁的流动性则随之降低；共晶白口铁的结晶温度最低,又是在恒温下结晶,流动性最好;碳质量分数对钢的收缩性也有影响,一般说来,当浇注温度一定时,随着碳质量分数的增加,钢液温度与液相线温度差增加,液态收缩增大；同时,碳质量分数增加,钢的凝固温度范围变宽,凝固收缩增大,出现缩孔等铸造缺陷的倾向增大;此外,钢在结晶时的成分偏析也随碳质量分数的增加而增大; 相图有哪些应用,又有哪些局限性答：铁—渗碳体相图的应用：1在钢铁选材方法的应用；2在铸造工艺方法的应用；3在热锻、热轧、热锻工艺方法的应用；4在热处理工艺方法的应用;渗碳体相图的局限性：1只反映平衡相,而非组织；2只反映铁二元合金中相的平衡；3不能用来分析非平衡条件下的问题第五章习题1.试在A、B、C 成分三角形中,标出注下列合金的位置：1ωC=10%,ωC=10%,其余为A；2ωC=20%,ωC=15%,其余为A；3ωC=30%,ωC=15%,其余为A；4ωC=20%,ωC=30%,其余为A；5ωC=40%,A和B组元的质量比为1:4；6ωA=30%,A和B组元的质量比为2:3；解：6设合金含B 组元为WB,含C 组元为WC,则WB/WC=2/3WB+WC=130% 可求WB=42%,WC=28%;2.在成分三角形中标注P ωA=70%、ωB=20%、ωC=10%；QωA=30%、ωB=50%、ωC=20%；NωA=30%、ωB=10%、ωC=60%合金的位置,然后将5kgP合金、5kgQ合金和10kgN合金熔合在一起,试问新合金的成分如何解：设新合金的成分为ω新A、ω新B、ω新C ,则有ω新A=5×ωP A+5×ωQ A+10×ωN A/5+5+10=5×70%+5×30%+10×30%/20=% ;ω新B=5×ωP A+5×ωQ A+10×ωN A/5+5+10=5×20%+5×50%+10×10%/20=% ;ω新C=5×ωP A+5×ωQ A+10×ωN A/5+5+10=5×10%+5×20%+10×60%/20=%;所以,新合金的成分为：ω新A =%、ω新B =%、ω新C =%;第六习题1.计算方法τk=σs·cosλcosφ=F/A cosλcosφ4. 试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因是什么答：由Hall-Petch 公式可知,屈服强度σs 与晶粒直径平方根的倒数d v2呈线性关系; 在多晶体中,滑移能否从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源,使其开动起来,从而进行协调性的多滑移; 由τ=nτ0知,塞积位错数目n越大,应力集中τ越大;位错数目n与引起塞积的晶界到位错源的距离成正比;晶粒越大,应力集中越大,晶粒小,应力集中小,在同样外加应力下,小晶粒需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形; 在同样变形量下,晶粒细小,变形能分散在更多晶粒内进行,晶粒内部和晶界附近应变度相差较小,引起的应力集中减小,材料在断裂前能承受较大变形量,故具有较大的延伸率和断面收缩率;另外,晶粒细小,晶界就曲折,不利于裂纹传播,在断裂过程中可吸收更多能量,表现出较高的韧性;6.滑移和孪生有何区别,试比较它们在塑性变形过程的作用;答：区别：1滑移：一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切变,切变时原子移动的距离是滑移方向原区别：区别子间距的整数倍；孪生：一部分晶体沿孪生面相对于另一部分晶体作切变,切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍；2滑移：滑移面两边晶体的位向不变；孪生：孪生面两边的晶体的位向不同,成镜面对称；3滑移：滑移所造成的台阶经抛光后,即使再浸蚀也不会重现；孪生：由于孪生改变了晶体取向,因此孪生经抛光和浸蚀后仍能重现；4滑移：滑移是一种不均匀的切变,它只集中在某些晶面上大量的进行,而各滑移带之间的晶体并未发生滑移；孪生：孪生是一种均匀的切变,即在切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离;作用：晶体塑性变形过程主要依靠滑移机制来完成的；孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多,但孪生改变了部分晶体的空间取向,使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向,激发晶体滑移;7.试述金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系,阐明加工硬化在机械零构件生产和服役过程中的重要试述金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系, 意义;答：关系：随着塑性变形程度的增加,位错密度不断增大,位错运动阻力增加,金属的强度、硬度增加,而关系：关系塑性、韧性下降;重要意义：1提高金属材料的强度；2是某些工件或半成品能够加工成形的重要因素；3提高零件或构件在使用过程中的安全性;8.金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力研究这部分残留内应力有什么实际意义金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力研究这部分残留内应力有什么实际意义答：残余内应力存在的原因1塑性变形使金属工件或材料各部分的变形不均匀,导致宏观变形不均匀；2塑性变形使晶粒或亚晶粒变形不均匀,导致微观内应力；3塑性变形使金属内部产生大量的位错或空位,使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置,导致点阵畸变内应力;实际意义：可以控制材料或工件的变形、开裂、应力腐蚀；可以利用残留应力提高工件的使用寿命;9.何谓脆性断裂和塑性断裂,若在材料中存在裂纹时,试述裂纹对脆性材料和塑性材料断裂过程中的影响;答：塑性断裂又称为延性断裂,断裂前发生大量的宏观塑性变形,断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度;在塑性和韧性好的金属中,通常以穿晶方式发生塑性断裂,在断口附近会观察到大龄的塑性变形痕迹,如缩颈;金属脆性断裂过程中,极少或没有宏观塑性变形,但在局部区域任然存在着一定的微观塑性变形;断裂时承受的工程应力通常不超过材料的屈服强度,甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力,因此又称为低应力断裂;在塑性材料中,断裂是胃口形成、扩大和连接的过程,在打的应力作用下,基体金属产生塑性变形后,在基体和非金属夹杂物、析出相粒子周围产生应力集中,使界面拉开,或使异相颗粒折断形成微孔;微孔扩大和链接也是基体金属塑性变形的结果;当微孔扩大到一定的程度,相邻微孔见的金属产生较大的塑性变形后就发生微观塑性失稳,就像宏观实验产生缩颈一样,此时微孔将迅速扩大,直至细缩成一线,最后由于金属与金属件的连线太少,不足以承载而发生断裂;脆性材料中,由于断裂前既无宏观塑性变形,又无其他预兆,并且一旦开裂后,裂纹扩展迅速,造成整体断裂或河大的裂口,有时还产生很多碎片,容易导致严重事故;10.何谓断裂韧度,它在机械设计中有何作用答：在弹塑性条件下,当应力场强度因子增大到某一临界值,裂纹便失稳扩展而导致材料断裂,这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度;它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力,是材料的力学性能指标;第七章习题1.用冷拔铜丝制成导线,冷拔之后应如何处理,为什么答：冷拔之后应该进行退火处理;因为冷拔是在再结晶温度以下进行加工,因此会引起加工硬化,所以要通过回复再结晶,使金属的强度和硬度下降,提高其塑性;2.一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后,试画出界面上的显微组织示意图;3.已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃,试估算其再结晶温度;解：T再=σT m,其中σ=~,取σ =,则W、Fe、Cu的再结晶温度分别为3399℃×=1 ℃、1538℃×=℃和1083℃×=℃4.说明以下概念的本质区别：1一次再结晶和二次再结晶；2再结晶时晶核长大和再结晶后晶粒长大;解：1再结晶：当退火温度足够高、时间足够长时,在变形金属或合金的显微组织中,产生无应变的新晶粒──再结晶核心;新晶粒不断长大,直至原来的变形组织完全消失,金属或合金的性能也发生显着变化,这一过程称为再结。

第二章铝合金的冶炼1.金属铝的制取金属铝最初是用化学法制取的。

1825年丹麦化学家H.C.Örested和1827年德国Wöhler F.分别用钾汞齐和钾还原无水氯化铝，都得到少量金属粉末。

1854年Wöhler F.还用氯化铝气体通过熔融钾的表面，得到了金属铝珠，每颗重约10～15mg，因而能够初步测定铝的密度，并认识到铝的熔点不高，且具有延展性。

后来，法国S.G。

Deville用钠代替钾还原熔融的氯化钠_氯化铝络盐，也制取金属铝。

1854年他在法国巴黎附近建立了一座小型炼铝厂。

1865年俄国 H.H.BeKeTOB 提议用镁来置换冰晶石中的铝，这一方案被德国Gmelingen Aluminium und Magnesium Fabrik 采用。

由于电解法兴起，化学法便渐渐被淘汰。

在整个化学法炼铝阶段中（1854～1895年）,大约总共生产了200Ton铝。

电解法熔炼铝起源与1854年。

当时德国R.W.Bunsen和法国S.C.Deville分别电解氯化钠_氯化铝络盐，得到金属铝。

1883年美国S.Bradley申请了电解熔融冰晶石的专利。

1886年美国的C.M.Hall 和法国的L.T.Héroult同时发明了冰晶石_氧化铝融盐电解法并申请到专利。

此法便是一百年来全世界炼铝工业上采用的唯一方法，统称为霍尔_埃鲁法。

中国的炼铝试验工作起始自1934年天津的黄海化学工业社，用800A预焙阳极电解槽炼出金属铝。

抚顺铝厂开始兴建于1937年，电解槽为自焙阳极式，电解强度为2400 A，最高年产铝量达到8000Ton。

台湾省高雄铝厂亦兴建于1937年。

从南阳 Bintan岛运来三水铝土矿，在厂内用拜耳法生产氧化铝，用24000A 和30000A自焙阳极电解槽生产铝，最高年产量达到10KTon。

新中国成立后，铝合金工业得到迅速的发展。

我国的铝冶炼工业经过几十年的发展，取得了前所未有的成绩，2000年氧化铝产量达429万Ton，铝锭283万Ton，我国已成为世界铝生产和消费的大国。

第一章1 冶金原理研究的主要内容包括 __________ 、_______ 和________ 。

冶金动力学、冶金热力学、冶金溶液。

2 金属熔体指_________ 、 _______ 。

液态的金属、合金。

1、冶金原理是提取冶金的主要基础科学，它主要是应用 ________ 的理论和方法研究提取冶金过程，为解决有关 ______ 问题、开拓___ 的冶金工艺、推进冶金技术的发展指明方向。

物理化学、技术、新2、根据组成熔体的主要成分的不同，一般将冶金熔体分为 ______________ 、 _____ 、_______ 、____ 四种类型。

金属熔体、熔渣、熔盐、熔硫。

3、冶金原理按具体的冶金对象分为 _______ 冶金原理及 ____ 冶金原理。

钢铁、有色金属。

4、根据熔渣在冶炼过程中的作用的不同，熔渣主要分为 ______________ 、_______ 、、四种。

在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。

冶炼渣、精炼渣、富集渣、合成渣。

熔渣。

5、熔渣是 ______ 和 _______ 的重要产物之一。

金属提炼、精炼过程。

6、熔渣是指主要由各种 ______ 熔合而成的熔体。

氧化物。

7、_______ 的作用在于使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。

富集渣、8、______ 的作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。

精炼渣。

9、在造锍熔炼过程中，为了使锍的液滴在熔渣中更好的沉降、降低主金属在渣中的损失，要求熔渣具有较低的 _______ 、_____ 和_______ 。

粘度、密度、渣 - 锍界面张力。

10、为了提高有价金属的回收率、降低冶炼过程的能耗，必须使锍具有合适的 . 物理化学性质。

11、在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择 ____________ ，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。

第一篇冶金熔体第一章冶金熔体概述1。

什么是冶金熔体？它分为几种类型？在火法冶金过程中处于熔融状态的反应介质和反应产物（或中间产品）称为冶金熔体.它分为:金属熔体、熔渣、熔盐、熔锍。

2.何为熔渣？简述冶炼渣和精炼渣的主要作用.熔渣是指主要由各种氧化物熔合而成的熔体。

冶炼渣主要作用在于汇集炉料中的全部脉石成分,灰分以及大部分杂质，从而使其与熔融的主要冶炼产物分离。

精炼渣主要作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化物,使之与主金属分离。

3.什么是富集渣？它与冶炼渣的根本区别在哪里？富集渣:使原料中的某些有用成分富集与炉渣中,以便在后续工序中将它们回收利用。

冶炼渣：汇集大部分杂质使其与熔融的主要冶炼产物分离。

4.试说明熔盐在冶金中的主要应用。

在冶金领域,熔盐主要用于金属及其合金的电解生产与精炼。

熔盐还在一些氧化物料的熔盐氯化工艺以及某些金属的熔剂精炼法提纯过程中广泛应用。

第二章冶金熔体的相平衡图1. 在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律.X ：A 10% ，B 70% ，C 20% ;Y ：A 10% ，B 20% , C 70％;Z ：A 70％，B 20% ，C 10％；若将3kg X 熔体与2kg Y 熔体和5kg Z 熔体混合，试求出混合后熔体的组成点。

2.下图是生成了一个二元不一致熔融化合物的三元系相图（1）写出各界限上的平衡反应（2）写出P、E两个无变点的平衡反应(3)分析下图中熔体1 、2 、3 、4 、5 、6 的冷却结晶路线.3.在进行三元系中某一熔体的冷却过程分析时，有哪些基本规律？答:1 背向规则 2杠杆规则 3直线规则 4连线规则5 三角形规则 6重心规则 7切线规则 8共轭规则等第三章冶金熔体的结构1。

熔体远距结构无序的实质是什么?2.试比较液态金属与固态金属以及液态金属与熔盐结构的异同点。

3.简述熔渣结构的聚合物理论。

其核心内容是什么?第四章冶金熔体的物理性质1。

材料化学课后习题答案P42：四 (1)(2)(3)P69：二、三 (1)(2)P90:5P133: 二、三 (1)(2)P199: 一、二P222: 二、三 (1)P236: 一、二专业：应用化学14-1学号： ********XX：丁大林第二章化学基础知识一．填空题1. 热力学第三定律的具体表述为纯物质完美晶体在0 K 时的熵值为零，数学表达式为 S*( 完美晶体， 0 K)=0 J K-1。

2.麦克斯韦关系式为Tp SS p、S VV T T V p T T pV、T p、S p V S VS。

3. 偏摩尔吉布斯函数又称化学势，定义为B G B G。

n BT , p,n C4.理想稀溶液存在依数性质，即溶剂的蒸气压下降、凝固点降低、沸点升高、渗透压的量值均与溶液中溶质的数量有关，而与溶质的种类无关。

5. 人们将存在于两相间厚度为几个分子大小的薄层称为界面层，简称界面，有液-气、固 - 气、固 - 液、液 - 液、固 - 固界面，通常把固 - 气界面、液- 气界面称为表面。

6.表面X力一般随温度和压力的增加而降低，且σ金属键 > σ离子键 >σ极性共价键 > σ非极性共价键。

7.按照氧化态、还原态物质的状态不同，一般将电极分成第一类电极（金属电极、气体电极）、第二类电极（金属 - 难溶盐电极）、氧化还原电极三类。

8.相律是描述相平衡系统中自由度、组分数、相数之间关系的法则。

其有多种形式，其中最基本的是吉布斯相律，其通式为f c p+2。

= -二．名词解释1.拉乌尔定律：气液平衡时稀溶液中溶剂 A 在气相中的蒸气压 p A等于同一温度下该纯溶剂的饱和蒸气压 p A*与溶液中溶剂的摩尔分数 x A的乘积，该定律称为拉乌尔定律。

2. 亨利定律：在一定温度下，稀溶液中易挥发溶质 B 在平衡气相中的分压 p B与其在平衡液相中的摩尔分数 x B成正比，该定律称为亨利定律。

3.基元反应：化学反应并非都是由反应物直接生成生成物，而是分若干真实步骤进行的，这些步骤称为基元反应。

第一章：1、选择飞机机翼材料时应该考虑哪些主要性能？答：飞机机翼是一种结构材料，因此首先考虑力学性能，其次还应该考虑一些物理性质。

为了能够承受作用在机翼上的应力，材料必须具有足够高的屈服强度和疲劳强度。

同时由于飞行时机翼时刻处于应力及震动的循环作用下，因此疲劳特性是很重要的，物理性质主要密度和耐腐蚀性，机翼应尽可能轻，且对飞行中不同环境下的介质腐蚀具有很好的抗腐蚀性。

正常情况下，机翼不会遇到冲击载荷（冲击）、高温（蠕变）和摩擦（磨损）的情况。

2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？答：因为金属中有大量自由移动的电子，自由电子对电流的阻碍作用弱，所以有良好的导电性，导热靠的是自由电子传递热量（主要是通过电子间的碰撞实现的），因为电子是自由的，所以速度受到的限制小。

3、白炽灯泡的灯丝由钨丝制作，为什么制造钨丝时用粉末冶金法而不用铸造法？答：金属钨的熔点非常高（3410℃），如果用铸造法，必须把钨加热到极高的温度，这样的工艺条件太苛刻。

而粉末冶金工艺则是在低得多的温度下把粉末状的钨烧结成所需的形状。

第二章：1、试计算等径球面心立方堆积的空间利用率。

答：晶胞内球体数目为8×1/8＋6×1/2＝4。

若球体半径为r，晶胞参数为a，则√2a=4r，即a=2√2r，于是空间利用率（堆积系数）PC=（4×4/3πr3 ）÷a3=(4×4/3πr3)÷(2√2r)3=0.74052、等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？答：等径球最紧密堆积六方最紧密堆积和面心立方最紧密堆积两种。

每个球体周围有8个四面体空隙和6个八面体空隙。

3、解释下列概念：晶系：晶体是离子，原子或分子，按一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因而，晶体具有规则的外形。

晶胞：晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。

第二章快速凝固技术2.1快速凝固技术概论快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。

由于由液相到固相的相变过程进行的非常快，快速凝固材料可以获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构。

目前，快速凝固技术是冶金领域和金属材料专业研究的重要领域。

在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。

常规工艺下金属凝固的冷却速度一般不会超过102 K/s，通常大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为：10-6-10-3 K/s,中等铸件及铸锭约为10-3-100 K/s；薄壁铸件、压铸件、普通雾化约为100-102 K/s。

快速凝固的金属冷却速度一般要达到106-109 K/s。

经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。

上世纪60年代美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107 K/s的冷却速度下凝固。

他们发现，在这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge 合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分Au-Si (XSi=25%)合金竟然凝固为非晶态的结构，获得了金属玻璃。

这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域。

70年代出现了利用快速凝固技术制备的晶态材料，80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的快速凝固制备上，90年代大块非晶合金材料的开发应用取得了重大进展。

目前，快速凝固技术已成为冶金工艺学和金属材料学的一个重要分支。

快速凝固技术既是研究开发新材料的手段，也是新材料生产提高产品质量、降低生产成本的基础。

2.2 快速凝固的组织特征合金的组织结构与合金的凝固模式密切相关。

在过冷不断加深的过程中，合金的组织及结构将发生变化，图2-1 示出了冷却速度加快引起的凝固组织的变化框图。

第二章金属熔炼基础金属合金熔炼的任务就是把配比的金属炉料投入炼炉中，经加热和融化得到熔体，再经一定的液体处理，得到合理要求质量的合金溶体。

在这种金属热加工过程中，合金本身或与其环境之间将发生许多物理化学的变化和反应。

所有这些，都会影响到熔体的质量，只要对一系列的变化和反应有比较清楚的认识，才能更好地分析和解决在熔炼过程中出现的某些疑难问题。

一、金属合金熔体1、金属的加热和溶化在室温条件下，金属大多呈固态，将之加热超过其熔点后则转变为液态，即金属熔体。

固态金属是晶体，其中的原子呈有规则的排布，而脱离原子的电子则弥散于整个晶体之中，形成所谓“电子云”。

失去电子的原子带正电荷，即正离子，它与电子云之间存在库仓引力；同时，正离子之间和电子云之间还存在库仓斥力。

两种作用力达到平衡，使晶体点阵上粒子之间的距离保持相对的稳定，此即金属键的特征。

当各原子(实为金属离子)之间的距离增大时，吸引力大于排斥力；若原子之间的距离缩小，则吸引力与排斥力均增大，但排斥力增大得更快些，表现为排斥作用，如图2－1所示即为原子间作用力及势能的双原子模型。

因此在一定温度下，原子之间能保持一平衡离Ｒ0，此时两力相等，势图2-1 双原子模型之作用关系能Ｅ最低，金属呈稳定态。

在平衡位置两边，势能升高，称为势垒，其最大值为Ｑ，势垒之间称为势阱。

金属晶体内原子的热运动，主要在原子在其平衡位置附近作微小振动，当振动支点中原子偏离平稳位置时，必将导改其势能的升高和动能的降低，而作用力则总是使原子返回原子平稳位置。

当温度升高时，原子的热振动加强，动能增加，振幅加大，原子之间的平稳距离也相应增大，此即金属发生热膨胀的微观机理，金属晶体中的原子之间均系三维联系，其热振动亦是三维的。

金属之热传导则通过热振动将热量从高温区传递到低低温区，进一步，由于热振动之加剧及能量起伏作用使某些偶尔能获得较高动能之原子冲出势阱，跃过势垒，而在晶体内部运动。

温度越高，则能跃过势垒的原子数目越多，这就是金属中发生扩散作用的基础。

金属熔体的结构研究及其作用摘要本文从冶金熔体方面入手，首先介绍了熔体结构研究方法，并对各种方法进行了对比。

并由此进一步具体阐述了金属熔体、熔渣和熔盐结构模型的发展，比较各种模型的特点,最后介绍了金属熔体的进一步应用。

关键词熔体；金属熔体；熔渣；熔盐；滞后性；过热处理目录1 前言 (3)2 熔体结构的研究进展 (3)3 熔体结构的研究方法 (4)3.1 热力学方法 (4)3.2 光谱法 (4)3.3 计算机模拟法 (5)3.4 熔体结构理论和实验研究达成的共识 (5)4 金属熔体结构模型 (6)5 熔渣的结构模型 (6)5.1 分子结构理论 (6)5.2 离子结构理论 (7)5.3 共存理论 (7)5.4 聚合物理论 (7)6 熔盐的结构模型 (8)6.1 似晶格模型 (8)6.2 空穴模型 (8)6.3 有效结构模型 (9)6.4 液体自由体积模型 (9)7 熔体过热处理技术 (11)7.1 简单过热法 (11)7.2 热速处理法 (12)8 结语 (13)参考文献 (14)1前言冶金熔体是指在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或反应产物。

根据专业方面的知识，本篇文章主要介绍的是冶金熔体方面的发展。

按照组成熔体的主要成分的不同分为：金属熔体、熔渣、熔盐。

研究熔体的结构模型和物理化学性质对冶金过程十分重要。

由于高温熔体本身的复杂性和高温下的实验研究比困难，至今对他们的理化性质的研究还很不够。

很多数据差别较大，还有许多问题尚待进一步研究。

近年来,国内外学者对金属熔体的结构和性质进行了大量的研究。

发现金属和合金的液态结构和性质不仅与金属的种类和合金的成分及压力有关,而且也与熔体的热历史(即熔体的升降温速率、保温温度和保温时间等)有关。

并认识到通过控制熔体状态可控制合金的凝固过程、凝固组织和合金性能。

本文主要介绍国内外在熔体结构研究及利用熔体结构随温度变化的滞后性控制合金凝固组织和性能方面的成果与进展。

2．熔融盐结构理论（1）熔盐的结构模型（2）冰晶石熔体结构（3）冰晶石-氧化铝熔体结构2. 熔盐的结构.研究熔盐结构是系统地、深入地理解熔盐物理化学性质，正确认识熔盐电极过程的基础。

只有研究熔盐的微观结构，才能理解熔盐的性质，并使熔盐中的电极过程有一个合理的解释。

熔盐结构的研究从法拉第（Faraday）开始。

他广泛研究了酸、碱和盐的电解和电极过程之后，提出了熔融盐溶液由阳离子和阴离子组成。

埃沙曼科（Herasymanko）首先提出了离子熔体可做统计处理。

切姆金把熔盐的理想混合物看作是两个独立的混合物：一个是阳离子混合物，一个是阴离子混合物。

阳离子和阴离子统计地在它们之间分布着。

阴阳离子之间可以互相交换位置。

熔盐结构的早期理论认为形成液体的离子在排列和取向上同气体一样没有规律性，这就是似气态理论。

但大量的实验对似气态理论提出了质疑。

例如熔盐的离子排列只有短程秩序。

①离子体熔化时体积平均增大约10%，相当于质点间的平均距离增加约3%，这一研究结果表明液体在接近熔点或结晶温度时，其质点间的排列应保持相应固态时的排列。

离子晶体熔化时，晶体所特有的各质点间排列的远程规律消失，而质点间相对排列的近程规律在一定程度上仍保留着。

②固态盐熔化之后配位数有所减少。

如碱金属卤化物配位数为6的固体盐，熔化之后则为4-5。

当固体熔盐熔解为液态时，阳离子与阴离子之间的距离不但没有增加，反而有所减少。

表2-1固体和熔盐碱金属卤化物中离子间的距离和其配位数现代熔盐理论认为，熔盐是离子体系。

在熔融盐的离子熔体中，库伦相互作用是决定溶液热力学和结构性质的支配因素。

在离子熔体中，每个阳离子的第一配位层内部都由阴离子所包围，同样，在阴离子的第一配位层内由阳离子包围。

阴、阳离子随机统计的分布在熔体中。

20世纪50年代，X射线结构研究提供了熔盐结构的发展；到了20世纪70年代，随着中子衍射和拉曼光谱的发展和应用，人们进一步了解了熔盐结构的概念；近年来，采用计算机模拟与实验相结合，使熔盐结构理论更趋于完善。